Устройство сбора, обработки и передачи телеметрической информации
Полезная модель относится к области вычислительной техники, а именно к средствам автоматизации управления удаленными объектами и может быть использована для дистанционного управления и контроля крановых узлов газопроводов. Устройство содержит блок питания, выполненный в виде солнечного модуля, аккумуляторной батареи и контроллера заряда, супервизор питания, микроконтроллер с оперативной и постоянной памятью, часы реального времени со встроенной энергонезависимой памятью и литиевой батареей резервного питания, преобразователь сигналов интерфейса RS-485, блок гальванической развязки, блок управления питанием датчиков, блок защиты от несанкционированного вскрытия или умышленного повреждения корпуса устройства, приемно-передающее устройство, дополнительно включает блок управления контактными выключателями, блок масштабных усилителей и блок управления электропневматическим узлом управления краном, подключенных к микроконтроллеру, при этом блок управления контактными выключателями соединен с блоком масштабных усилителей и блоком преобразователя питания, а блок масштабных усилителей соединен с датчиками давления, солнечным модулем, контроллером заряда и блоком управления электропневматическим узлом управления крана, который соединен с блоком разъема программирования радиомодуля, кроме того, устройство снабжено дополнительной печатной платой, а приемно-передающее устройство выполнено в виде радиотрансивера. Предлагаемое устройство позволяет повысить безопасность эксплуатации газопровода за счет расширении функциональных путем организации диагностики ЭПУУ крана и повысить надежность работы устройства.
Полезная модель относится к области вычислительной техники, а именно к средствам автоматизации и телемеханики удаленных объектов и может быть использована для дистанционного управления и контроля крановых узлов газопроводов.
Известно устройство сбора, обработки и передачи телеметрической информации (RU 2449346, G06F 9/00, опубл. 27.04.2012 г.), выбранное в качестве прототипа, включающее корпус, выполненный с возможностью крепления на горизонтальную и вертикальную поверхность, печатную плату, на которой расположены блок питания с супервизором питания, микроконтроллер с оперативной и постоянной памятью большого размера, часы реального времени со встроенной энергонезависимой памятью и литиевой батареей резервного питания, преобразователь интерфейса RS-232, преобразователь сигналов интерфейса RS-485 с блоком гальванической развязки, блок однопроводного интерфейса 1 Wire, блок ввода дискретных сигналов телеизмерения, блоки двух интерфейсов Ethernet, блок интерфейса USB, сменный модуль интерфейсов PLC, ZigBee, WiFi, блок управления питанием датчиков, подключаемых к интерфейсу 1 Wire, блок высокоскоростного универсального модема четвертого поколения LTE/UMTS/GSM, блок формирования уникального 64-битного серийного номера устройства и блок защиты от несанкционированного вскрытия или умышленного повреждения корпуса устройства.
Недостатком указанного устройства является низкое качество управления, обусловленное тем, что не проводится диагностика электроприводов управления краном в связи с отсутствием блока управления электропневматическим узлом управления (ЭПУУ), блока управления контактными выключателями, блока гальванической развязки и преобразования уровня, и блока масштабных усилителей.
Кроме того, данное устройство выполнено в виде одного функционального модуля и в случае повреждения любого из блоков необходимо менять весь модуль, что приводит к снижению надежности устройства и значительным временным затратам.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, заключается в создании устройства, способного осуществлять диагностику электропривода крановой задвижки.
Для решения поставленной задачи устройство сбора, обработки и передачи технологической информации, включающее корпус, печатную плату, блок питания, супервизор питания, микроконтроллер с оперативной и постоянной памятью, часы реального времени со встроенной энергонезависимой памятью и литиевой батареей резервного питания, преобразователь сигналов интерфейса RS-485, блок гальванической развязки, блок управления питанием датчиков, блок защиты от несанкционированного вскрытия или умышленного повреждения корпуса устройства, приемно-передающее устройство, согласно полезной модели, дополнительно включает блок управления контактными выключателями, блок масштабных усилителей и блок управления электропневматическим узлом управления краном, подключенных к микроконтроллеру, при этом блок управления контактными выключателями соединен с блоком масштабных усилителей и блоком преобразователя питания, а блок масштабных усилителей соединен с датчиками давления, солнечным модулем, контроллером заряда и блоком управления электропневматическим узлом управления крана, который соединен с блоком разъема программирования радиомодуля, кроме того, устройство снабжено дополнительной печатной платой, а блок питания выполнен в виде солнечного модуля, аккумуляторной батареи и контроллера заряда, а приемно-передающее устройство выполнено в виде радиотрансивера.
При этом приемно-передающее устройство и микроконтроллер установлены на дополнительной плате.
Технический результата предлагаемой полезной модели заключается в повышении безопасности эксплуатации газопровода, расширении функциональных возможностей контроля удаленных объектов путем организации диагностики ЭПУУ крана и повышение надежности работы устройства.
Предлагаемое техническое решение поясняется чертежом.
Устройство сбора, обработки и передачи телеметрической информации содержит печатные платы: плата управления краном и плата радиомодуля, блок питания, включающий солнечный модуль 1, связанный с входом контроллера 2 заряда, блоком 11 масштабных усилителей и аккумуляторную батарею 3, блоком 4 преобразователя напряжения и блоком 5 стабилизатора напряжения, обеспечивающих питание блока всех узлов устройства, радиотрансивер 6 с подключенной к нему антенной, микроконтроллер блок 7, блок 8 разъема интерфейса RS-485, соединенного с блоком 9 интерфейса RS-485, блок 10 разъема программирования радиомодуля, блок 12 преобразователя питания, имеющего выход на блок 13 стабилизатора напряжения, блок 14 управления электропневматическим узлом управления краном, блок 15 управления контактными выключателями, имеющим выход на блок 16 гальванической развязки и преобразования уровня, связанного с блоком 7 микроконтроллера, блок 17 вскрытия корпуса, связанный с блоком 16 гальванической развязки и преобразования уровня, блок 18 Supervisora напряжения питания, блок 19 часов реального времени RTC с резервным питанием от блока 20 литиевой батареи, при этом блок 19 часов реального времени RTC через интерфейс 12C связан с микроконтроллером блок 7. Кроме того, блок 13 стабилизатор напряжения связан с датчиками давления, выход которых подключен к блоку 11 масштабных усилителей, а кран с ЭПУУ подключен к блоку 14 управления ЭПУУ, блоку 11 масштабных усилителей и блоку 16 гальванической развязки и преобразования уровня. Обе платы размещены в корпусе 21.
Па плате радиомодуля размещены радиотрансивер блок 6 и микроконтроллер блок 7. Все остальные блоки размещены на плате управления краном.
Работает предлагаемое устройство следующим образом.
Напряжение от солнечного модуля (блок 1) поступает на контроллер заряда (блок 2), далее напряжение 24 В постоянного тока преобразуется первичным преобразователем (блок 4) в напряжение 3.3 В и далее стабилизатором (блок 5) выдается напряжение 3 В постоянного тока. Как только напряжение 3 В достигнет заданного рабочего уровня, супервизор питания (блок 18) снимет с микроконтроллера (блок 7) сигнал сброса и микроконтроллер произведет загрузку из постоянной памяти (на рисунке не показано) в оперативную память (на рисунке не показано) всех компонентов системы в автоматическом режиме в следующей последовательности:
- загружается база данных (БД), которая содержит текущую конфигурацию установленных драйверов;
- происходит переход устройства в режим «Работа».
В режиме «Работа» в соответствии с алгоритмом происходит:
- прием аналоговых сигналов, поступающих с датчиков давления, их обработка и преобразование в двенадцатиразрядный код с последующей передачей в микроконтроллер;
- прием дискретных сигналов с блока конечных выключателей;
- выдача сигналов управления ЭПУУ крана;
- сбор диагностической информации: контроля исправности соленоидов открытия/закрытия, контроля напряжения питания соленоидов открытия/закрытия, контроля напряжения аккумуляторной батареи, контроля величины тока солнечного модуля, прием информационных пакетов по радиоканалу, извлечение соответствующих сигналов управления и контроля с последующей обработкой.
Обработанные данные помещаются в базу данных устройства и по запросу или предустановленному временному расписанию, контролируемому по часам реального времени (блок 19), передаются через радиотрансивер в контрольный пункт.
Для обеспечения защиты передаваемой информации применяется шифрование по стандарту AES.
Для обеспечения защиты от несанкционированного вскрытия корпуса установлен датчик вскрытия корпуса (блок 17). В случае вскрытия корпуса датчик выдает дискретный сигнал в микроконтроллер (блок 7), который записывает бит признака вскрытия корпуса в энергонезависимую память БД с меткой времени и передает предупредительное сообщение в контрольный пункт (КП).
Для повышения безопасности эксплуатации газопровода осуществляют диагностику исправности датчиков давления следующим образом.
При получении команды с контрольного пункта осуществляется контроль исправности соленоидов открытия/закрытия путем подачи заданного тестового тока в блок 14 управления ЭПУУ и далее в блок 11 масштабных усилителей и далее в микроконтроллер блок 7. Сигнал «открыть/закрыть», поступающий с микроконтроллера блок 7 подается также в блок 14 управления ЭПУУ, блок 11 масштабных усилителей. Величина измеренного тока обрабатывается микроконтроллером (блок 7) и сравнивается с заданным значением. При совпадении этих величин контроллер принимает решение об исправности соленоида. После этого подается напряжение питания соленоида открытия/закрытия, при этом фиксируется наличие или отсутствие напряжения питания. При отсутствии напряжения выдается сигнал «авария», который передается на КП. При наличии напряжения питания соленоида открытия/закрытия происходит открытие или закрытие крана, т.е. происходит изменение положения задвижки крана, при этом изменение положения контролируется с помощью контактных выключателей, механически связанных с поворотной осью привода крана. Происходит обработка информации, поступающей с контактных выключателей в блоке 16 гальванической развязки и преобразования уровня, с выхода которого она поступает на микроконтроллер блок 7, который выдает сигнал о выполнении команды. Дополнительно проверяется наличие информации с датчиков измерения давления газа в трубопроводе до крановой задвижки и после крановой задвижки. На датчике, расположенном до крановой задвижки (перед краном) давление есть всегда, а датчик, расположенный после крановой задвижки (за краном) показывает давление в случае открытия крана. Если информация с датчика, расположенного перед крановой задвижки соответствует нулю, то значит он неисправен.
Эта информация поступает с датчиков давления в блок 11 масштабных усилителей и далее в микроконтроллер блок 7, который обрабатывает поступающую информацию. Таким образом, имеем информацию об исправности оборудования, т.е. осуществляем диагностику. Контроль состояния объекта управления, в частности состояние датчиков и приводов ЭПУУ производят с помощью 11 блока масштабных усилителей, а именно осуществляют контроль целостности датчиков давления и соленоидов открытия/закрытия.
Блок 16 гальванической развязки и блок 15 управления контактными выключателями осуществляют контроль исправности контактных выключателей. При этом с блока 15 ЭПУУ осуществляет подачу напряжения на блок 16 гальванической развязки и преобразования уровня, который осуществляет контроль наличия напряжения на контактных выключателях, механически связанных с поворотной осью привода крана и крана ЭПУУ. При наличии напряжения на контактных выключателях привод находится в определенном положении открыто/или закрыто. При отсутствии напряжения принимается решение о неисправности привода или невыполнения команды. В этом случае сигнал «неисправность» передается в контрольный пункт (КП).
В случае исправности ЭПУУ и датчиков давления устройство передает сигнал исправности в контрольный пункт, который выдает сигнал для управления краном (действие на задвижки).
Сигнал с контрольного пункта поступает на радиотрансивер блок 6, связанный с микроконтроллером блок 7, который обрабатывает полученную информацию и выдает команду на закрытие/открытие.
После открытия клапана сигнал поступает на блок 16 гальванической развязки, который выдает сигнал о закрытии/открытии задвижки и передает информацию на микроконтроллер блок 7, далее на радиотрансивер бив виде радиосигнала поступает на контрольный пункт.
При отсутствии информации с КП, в течении периода времени, которое задано программой, установленной в микропроцессоре, устройство переходит в спящий режим с заданным периодическим пробуждением.
При первом запуске в эксплуатацию и замене плат радиомодуля и управления краном необходимо произвести отладку программного обеспечения устройства.
Блок 8 разъема RS-485 предназначен для отладки программного обеспечения (загружается тестовая программа для проверки функционирования всех блоков устройства и дальнейшей отладки программного обеспечения.), что позволяет в зависимости от характеристик управляемого объекта задавать необходимое программное обеспечение.
Блок 10 разъема программирования радиомодуля осуществляет сброс и проверку функционирования радиомодуля.
Снабжения предлагаемого устройства блоками 11 масштабных усилителей, 14 управления ЭПУУ, 15 управления контактными выключателями позволяет осуществлять своевременную диагностику исправности кранового узла.
Таким образом, проведение диагностика крановых узлов позволяет своевременно предотвратить аварийные ситуации, тем самым обеспечить безопасность эксплуатации магистрального газопровода.
Установка дополнительной платы позволяет значительно сократить время на устранение неполадок в каком-либо блоке, тем самым повысить надежность работы устройства.
Использование в качестве приемно-передающего устройства радиотрансивера позволяет значительно сократить расход электроэнергии, т.к. используется протокол обмена Wise MAC по радиоканалу [1]..
Основной возможностью для экономии энергии узлами сети является разрежение интервалов активности их устройств, и в первую очередь приемопередатчика, как основного потребителя электроэнергии [2].
В качестве радиотрансивера используется микросхема серии СС1110 производства Texas Instruments, имеющая пониженное потребление электроэнергии. Кроме того, низкое потребление электроэнергии в спящем режиме (300 нА). Благодаря высокому уровню интеграции и низкому энергопотреблению микросхемы СС1110 подходят для беспроводных систем, требующих большой продолжительности работы от батарей, малых габаритных размеров, низкой стоимости, а также небольшого времени на разработку [3].
Использование в качестве источника питания солнечного модуля с контроллером заряда аккумуляторной батареи позволяет сделать устройство независимым от прокладки кабеля.
Предлагаемая полезная модель соответствует критерию «новизна», т.к. из уровня техники не выявлены технические решения с предложенной совокупностью признаков, и критерию «промышленная применимость», т.к. результаты опытной проверки подтвердили достижение заявленного технического результата..
1. Устройство сбора, обработки и передачи технологической информации, включающее корпус, печатную плату, блок питания, супервизор питания, микроконтроллер с оперативной и постоянной памятью, часы реального времени со встроенной энергонезависимой памятью и литиевой батареей резервного питания, преобразователь сигналов интерфейса RS-485, блок гальванической развязки, блок управления питанием датчиков, блок защиты от несанкционированного вскрытия или умышленного повреждения корпуса устройства, приемно-передающее устройство, отличающееся тем, что оно дополнительно включает блок управления контактными выключателями, блок масштабных усилителей и блок управления электропневматическим узлом управления краном, подключенных к микроконтроллеру, при этом блок управления контактными выключателями соединен с блоком масштабных усилителей и блоком преобразователя питания, а блок масштабных усилителей соединен с датчиками давления, солнечным модулем, контроллером заряда и блоком управления электропневматическим узлом управления крана, который соединен с блоком разъема программирования радиомодуля, кроме того, устройство снабжено дополнительной печатной платой, а блок питания выполнен в виде солнечного модуля, аккумуляторной батареи и контроллера заряда, а приемно-передающее устройство выполнено в виде радиотрансивера.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что приемно-передающее устройство и микроконтроллер установлены на дополнительной плате.
